Redefining passive electronics on rfics via stress-induced restructuring of patterned thin films
Pası̇f rfıc elektronı̇ğine ı̇nce fı̇lmlerı̇n gerinim kontrollü şekillendirilmesiyle yeni bir bakış
- Tez No: 822680
- Danışmanlar: Assoc. Prof. Dr. MURAT KAYA YAPICI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 108
Özet
Üç boyutlu yapıların (3B) mikro ölçekte fabrikasyonu, malzemelerin genellikle katman katman işlendiği yarı iletken teknolojisi için hep bir zorluk oluşturmuştur. Çip üstü elektronik bileşenlerin geometrisini iki boyutlu bir düzlemde kısıtlayan bu durumun, performans üzerinde ciddi bir etkisi olabilmektedir. Entegre devre (IC) çipleri üzerinde monolitik olarak üretilen indüktör veya transformatör gibi bobin elemanlarının klasik üç boyutlu selenoid şeklinden düzlemsel iki boyutlu spirallere dönüştürülmesi gerekliliği buna bir örnektir. Tümleşimleri daha kolay olsa da, bu yaklaşımla üretilen pasif bileşenler üç boyutlu (3B), milimetre üstü, muadillerine kıyasla performanslarında önemli eksiklik gösterir. Bu sorunun üstesinden gelmek amacıyla, bu çalışmamızda, karmaşık 3B şekillerin entegre devre uyumlu monolitik üretimleri için yeni bir teknolojik platform geliştirilmiştir. Entegre devre üretimindeki metal ince filmlerin üzerinde yaygın olarak gözlemlenen gerinimlerin, düzlem dışı bükülme elde etmek için kontrol edilebilir şekilde kullanılabileceği ve böylece mikro ölçekte karmaşık 3B şekiller oluşturulabileceği gösterilmektedir. Temel yaklaşımımız, farklı kalıntı gerinim değerlerinde üst üste getirilen iki ince film katmanının altlık yüzeyinden ayrıldıktan sonra yukarı veya aşağı yönde bükülmesine dayanmaktadır. Buradan hareketle, radyo frekans devrelerinde yaygın olarak kullanılan iki tür elektronik bileşenin, indüktörlerin ve elektromekanik anahtarların 3B varyantları oluşturulmuştur. Gerinim kontrolü sayesinde aygıt geometrisiyle üç boyutta oynayabilmenin, tasarım sürecinde ek bir serbestlik derecesi getirdiğini ve geleneksel tasarımlara göre daha iyi bir performans optimizasyonunu mümkün kıldığı gözlenmiştir. Özellikle, üretilen 3B indüktörler düzlemsel muadillerine karşı neredeyse 3 kat daha yüksek Q-faktörü göstermiştir. Ayrıca önerdiğimiz metodla üretilen RF anahtarlar, ticari ürünlere kıyasla 4 kat daha az çalıştırma voltajı ve 5 kat daha iyi izolasyon sergilemektedir. Mevcut ticari ürünlere kıyasla gösterilen bu önemli performans farkları, geliştirilen sensörlerin yüksek hızlı kablosuz ağ uygulamaları için kullanılabilirliğine işaret etmektedir. Önerilen teknoloji iki farklı türde elektronik bileşene uygulanmış olmakla birlikte, oldukça ölçeklenebilir olan bu yaklaşımın kapasitörler veya transformatörler gibi başka temel bileşenler için de kolayca uygulanabileceği öngörülmektedir. Bu sayede, çalışmalarımızın yansıması olarak yeni nesil yüksek hızlı iletişim sistemleri için kritik olan yüksek performanslı RF bileşenlerin üretimine yönelik mihenk taşı oluşturan kazanımların elde edildiği değerlendirilmektedir.
Özet (Çeviri)
Manufacturing three dimensional (3D) structures at microscale has been a major challenge in semiconductor fabrication, which heavily relies on planar layer by layer processing of materials. This essentially restricts the geometry of any electronic component to be built on-chip to two dimensions, often at the expense of extreme performance degradation. For instance, passive elements such as inductors or transformers when fabricated monolithically on integrated circuit (IC) chips need to be shape-modified from conventional 3D solenoidal shape to planar two-dimensional spiral shape. While this approach allows easy integration, passive elements built on-chip often suffer from significant reduction in performance compared to their 3D, mm-scale, discrete counterparts. Aiming to overcome these issues, this thesis herein puts forward a novel IC-compatible technological platform to fabricate complex 3D shapes monolithically on IC chips, thereby opening up new opportunities for the semiconductor industry to explore. We show that residual stresses that are commonly observed in metal thin films used in IC fabrication can be indeed leveraged to achieve controllable out-of-plane bending, thus indicating a pathway to build complex 3D shapes at microscale. Fundamentally, stacking two thin film layers with different residual stress values can lead to bending in either upward or downward direction, once the film stack is released from the substrate. By utilizing this fundamental concept, we have built the 3D variants of two types of electronic components commonly used in radio-frequency circuits i.e., inductors and electromechanical switches. We show that shape modification via stress engineering allows maneuvering the device geometry in three dimensions, hence liberating an additional degree of freedom in the device design process and allowing a better performance optimization, as opposed to traditional 2D-restricted designs. Specifically, our 3D inductors show approximately 300% performance improvement (quantified using quality factor) compared to planar coils. Similarly, RF switches fabricated using the proposed methodology operate at 4 times lower actuation voltage and exhibit 5x better isolation, in comparison with devices available in market. In general, the devices we fabricated outperform the commercial state-of-the-art by a large margin, and these performance improvements are crucial for realizing future high data-rate wireless networks. In addition, while we have shown the application of proposed technology to only two types of electronic components, the platform is highly scalable and can easily accommodate other components such as capacitors or transformers etc. As such, we believe our efforts indicate an important landmark towards the implementation of high-performance on-chip RF passive devices that are essential for next generation communication systems.
Benzer Tezler
- 80C32 mikrokontrolör tabanlı otomatik test cihazı tasarımı
Başlık çevirisi yok
KENAN ENGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞEFİK SARIKAYALAR
- Diferensiyel fark akım taşıyıcısı tasarımı ve bu elemanla endüktans simülasyonu
Implementation of differential difference current conveyor and indutance simulations using this element
ALPER DURUK
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. HAKAN KUNTMAN
- Platin ve paladyum çözümlendirme ve Pt-Pd alaşımlarından saf metal üretimi
Platinum and palladium dissolving and production of pure metals from Pt-Pd alloys
YASEMİN KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR
- Redefining building envelope based on different urban texture for the goal of achieving near-zero energy residential building
Yaklaşık sıfır enerjili konut binası hedefi bağlamında yapı kabuğunun kent dokusuna bağlı olarak yeniden tanımlanması
HALİT BEYAZTAŞ
Doktora
İngilizce
2020
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL